DE102020134773A1 - CIRCUIT BREAKER FOR DIRECT CURRENT - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen mit den Verfahrensschritten Prüfung einer elektrischen Kenngröße eines an eine Gleichstromschnellschalteinrichtung angeschlossenen Leiters, wobei die elektrische Kenngröße die Richtung des Stromflusses umfasst, Schalten eines Leistungshalbleiters in Abhängigkeit der erfassten Richtung des Stromflusses, Aktivieren eines Trennschalters in der Gleichstromschnellschalteinrichtung, Trennen des Stromkreises durch Öffnung des Schaltkontaktes des Trennschalters zur Unterbrechung eines Dauerstroms, Löschen des nach Aktivieren des Trennschalters durch einen zwischen den Schaltkontakten gebildeten Lichtbogens, wobei die Gleichstromschnellschalteinrichtung bei Auftreten von hohen Spannungen und/oder Strömen entladen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for switching direct currents with the method steps of testing an electrical parameter of a conductor connected to a high-speed direct current switching device, the electrical parameter comprising the direction of the current flow, switching a power semiconductor depending on the detected direction of the current flow, activating a disconnector in the high-speed direct current switching device , Separation of the circuit by opening the switch contact of the disconnector to interrupt a continuous current, quenching after activation of the disconnector by an arc formed between the switch contacts, the DC high-speed switching device being discharged when high voltages and/or currents occur. The invention also relates to a device for carrying out the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen mit den Verfahrensschritten Prüfung einer elektrischen Kenngröße eines an eine Gleichstromschnellschalteinrichtung angeschlossenen Leiters, wobei die elektrische Kenngröße die Richtung des Stromflusses umfasst, Schalten eines Leistungshalbleiters in Abhängigkeit der erfassten Richtung des Stromflusses, Aktivieren eines Trennschalters in der Gleichstromschnellschalteinrichtung, Trennen des Stromkreises durch Öffnung des Schaltkontaktes des Trennschalters zur Unterbrechung eines Dauerstroms, Löschen des nach Aktivieren des Trennschalters durch einen zwischen den Schaltkontakten gebildeten Lichtbogens, wobei die Gleichstromschnellschalteinrichtung bei Auftreten von hohen Spannungen und/oder Strömen entladen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for switching direct currents with the method steps of testing an electrical parameter of a conductor connected to a high-speed direct current switching device, the electrical parameter comprising the direction of the current flow, switching a power semiconductor depending on the detected direction of the current flow, activating a disconnector in the high-speed direct current switching device , Separation of the circuit by opening the switch contact of the disconnector to interrupt a continuous current, quenching after activation of the disconnector by an arc formed between the switch contacts, the DC high-speed switching device being discharged when high voltages and/or currents occur. The invention also relates to a device for carrying out the method.

Stand der TechnikState of the art

Zur Gewährleistung eines störungsfreien und sicheren Betriebs von mit Gleichstrom betriebenen Fahrzeugen, z.B. elektrische Bahnen, ist es aus Sicherheitsgründen notwendig, dass bei ungewollten Betriebszuständen bzw. Havarien die Stromversorgung des gestörten Abgangs schnell und zuverlässig vom Gleichstromnetz getrennt wird. Da ein Gleichstrom durch herkömmliche Schaltgeräte mit metallischen Schaltkontakten nicht schnell genug abgeschaltet werden kann, werden unter anderem sog. Hybridschalter eingesetzt, die eine Kombination aus einer metallischen Schaltstrecke und einer Halbleiter-Schaltstrecke aufweisen. Diese Hybridschalter benötigen aufgrund der hohen auftretenden Stromstärken hochwertige Halbleiter-Bauteile, die hochpreisig sind.In order to ensure trouble-free and safe operation of vehicles powered by direct current, e.g. electric trains, it is necessary for safety reasons that the power supply of the faulty feeder is quickly and reliably disconnected from the direct current network in the event of unwanted operating states or accidents. Since a direct current cannot be switched off quickly enough by conventional switching devices with metal switching contacts, so-called hybrid switches are used, among other things, which have a combination of a metal switching gap and a semiconductor switching gap. Because of the high currents that occur, these hybrid switches require high-quality semiconductor components that are expensive.

Einfacher aufgebaut sind Schalteinrichtungen, die mittels eines entgegen gerichteten Gleichstroms den Gleichstrom der Stromversorgung abschaltet. Viele derzeitig verfügbare elektrisch angetriebene Schienenfahrzeuge verfügen aus Gründen der Energieeffizienz über die Möglichkeit zur Rekuperation der Bremsenergie. Dabei wird der elektrische Fahrmotor des Fahrzeugs derart umgepolt, dass er als Generator arbeitet. Der erzeugte Strom wird in das Gleichstromnetz zurückgespeist, wobei sich im Gleichstromnetz ebenfalls die Stromrichtung umpolt.Switching devices that switch off the direct current of the power supply by means of an opposing direct current have a simpler structure. Many currently available electrically powered rail vehicles have the option of recuperating braking energy for reasons of energy efficiency. The polarity of the vehicle's electric drive motor is reversed in such a way that it works as a generator. The electricity generated is fed back into the direct current network, whereby the polarity of the current also reverses in the direct current network.

In der DE 102 18 806 B4 wird ein derartiges Schnellschaltmodul vorgestellt. Das Modul weist ein zwischen der Strecke und der Sammelschiene des Gleichrichter-Unterwerks ein Schaltgerät auf. Parallel zu diesem Schaltgerät ist ein Löschkreis angeordnet, der aus einem Löschkondensator besteht, der mit einer Schalteinheit, bestehend aus zwei antiparallel angeordneten Löschthyristoren, in Reihe geschaltet ist. Zu dem Schaltgerät ist außerdem ein Prüfzweig parallel angeordnet. Der Prüfzweig besteht aus einer Reihenschaltung von einem Prüfthyristor, einem Strommessglied und einem Prüfwiderstand. Die Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung weist außerdem einen Freilaufkreis auf, der für jede Stromrichtung jeweils einen Zweig aufweist, von der Sammelschiene zum Rückleiter bzw. von der Strecke zum Rückleiter, in denen jeweils zwei Freilaufdioden, die in Reihe geschaltet sind, angeordnet sind. Jeweils einer Freilaufdiode in jedem Zweig des Freilaufkreises ist parallel eine Sicherung mit Meldung angeordnet. Die Dimensionierung der Freilaufdiode und der Sicherung ist dabei so gewählt, dass jeweils nur ein geringer Teil des Freilaufstromes über die jeweilige Sicherung fließt, während der größte Teil des Freilaufstromes über die zur Sicherung parallel angeordnete Freilaufdiode fließt.In the DE 102 18 806 B4 such a high-speed switching module is presented. The module has a switching device between the line and the busbar of the rectifier substation. Arranged in parallel with this switching device is a quenching circuit which consists of a quenching capacitor which is connected in series with a switching unit consisting of two quenching thyristors arranged antiparallel. A test branch is also arranged in parallel with the switching device. The test branch consists of a series connection of a test thyristor, a current measuring element and a test resistor. The DC high-speed switching device also has a freewheeling circuit, which has a branch for each current direction, from the busbar to the return conductor or from the path to the return conductor, in each of which two freewheeling diodes connected in series are arranged. A fuse with a message is arranged in parallel with each freewheeling diode in each branch of the freewheeling circuit. The dimensioning of the freewheeling diode and the fuse is selected so that only a small part of the freewheeling current flows through the respective fuse, while the majority of the freewheeling current flows through the freewheeling diode arranged in parallel with the fuse.

Dieses Schnellschaltmodul ist für die Abschaltung von Anlagen mit einer Netzspannung bis zu 750 V und einer Stromstärke von bis zu 4000 A ausgelegt. Für zukünftig verfügbare Anlagen, die bei sehr viel höheren Netzspannungen und Stromstärken betrieben werden, ist dieses Modul aufgrund der hier auftretenden Vervielfachung der Leistung nicht einsetzbar. Außerdem arbeitet dieses Schnellschaltmodul nicht bi-direktional, kann also bei Änderung der Stromrichtung während einer Rekuperation einen Betriebsstrom nicht abschalten.This fast switching module is designed for switching off systems with a mains voltage of up to 750 V and a current of up to 4000 A. This module cannot be used for systems available in the future that are operated at much higher mains voltages and currents due to the multiplication of power that occurs here. In addition, this high-speed switching module does not work bi-directionally, so it cannot switch off an operating current if the current direction changes during recuperation.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Gleichstrom-Schnellschaltmoduls zur Verfügung zu stellen, das gegenüber dem Stand der Technik derart verbessert ist, dass mit Gleichstrom betriebene Anlagen mit höherer Leistung als bisher zuverlässig und schnell abgeschaltet werden können sowie bi-direktional arbeitet. Es ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gleichstrom-Schnellschaltmodul zur Verfügung zu stellen, mit dem mit Gleichstrom betriebene Anlagen mit höherer Leistung als bisher zuverlässig und schnell abgeschaltet werden können sowie bi-direktional arbeitet.It is therefore the object of the present invention to provide a method for operating a direct current high-speed switching module which is improved over the prior art in such a way that systems operated with direct current can be switched off reliably and quickly with higher power than before and works directional. It is also an object of the present invention to provide a DC high-speed switching module with which DC-operated systems can be switched off reliably and quickly with higher power than before and works bi-directionally.

Die genannte Aufgabe wird mittels des Verfahrens zur Schaltung von Gleichströmen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.The stated object is achieved by means of the method for switching direct currents according to claim 1. Advantageous embodiments of the invention are set out in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen weist vier Verfahrensschritte auf: Im ersten Verfahrensschritt erfolgt eine Prüfung einer elektrischen Kenngröße eines an eine Gleichstromschnellschalteinrichtung angeschlossenen stromdurchflossenen Leiters. Die Kenngröße kann die elektrische Spannung und/oder die elektrische Stromstärke des Leiters sein. Dazu ist ein Steuergerät an ein Stromerfassungsglied angeschlossen, mit dem der elektrische Leiter auf unerwünschte Betriebszustände, Havarien und fehlerhafte Stromversorgung geprüft wird. Zusätzlich wird die Richtung des Stromflusses erfasst.The method according to the invention for switching direct currents has four method steps: In the first method step, an electrical parameter of a current-carrying conductor connected to a high-speed direct current switching device is checked. The parameter can be the electrical voltage and/or the electrical current of the conductor. For this purpose, a control device is connected to a current detection element in which the electrical conductor is checked for undesirable operating conditions, accidents and faulty power supply. In addition, the direction of the current flow is recorded.

Im zweiten Verfahrensschritt wird ein Leistungshalbleiter abhängig von der im ersten Verfahrensschritt erfassten Richtung des Stromflusses geschaltet und aktiviert. Der Leistungshalbleiter ermöglicht einen Stromfluss derart, dass der Stromfluss dem abzuschaltenden Stromfluss entgegen gerichtet ist. Die Gleichstromschnellschalteinrichtung weist insbesondere mindestens zwei Leistungshalbleiter auf, die antiparallel geschaltet sind. Je nach Richtung des abzuschaltenden Stromes wird derjenige Leistungshalbleiter aktiviert, der einen Stromfluss entgegen der Stromrichtung des abzuschaltenden Stromes ermöglicht. Das erfindungsgemäße Schaltgerät ist daher ohne weitere Zusatzbauteile auch für unterschiedliche Polungen des Fahrstroms geeignet.In the second method step, a power semiconductor is switched and activated depending on the direction of the current flow detected in the first method step. The power semiconductor enables a current flow in such a way that the current flow is directed in the opposite direction to the current flow to be switched off. The high-speed direct-current switching device has, in particular, at least two power semiconductors which are connected anti-parallel. Depending on the direction of the current to be switched off, that power semiconductor is activated which enables a current to flow in the opposite direction to the current to be switched off. The switching device according to the invention is therefore also suitable for different polarities of the traction current without additional components.

Im dritten Verfahrensschritt wird ein Trennschalter in der Gleichstromschnellschalteinrichtung aktiviert. Der Trennschalter trennt die Sammelschiene, die den Gleichstrom führenden Leiter mit elektrischer Energie versorgt, von der Energiezufuhr. Im vierten Verfahrensschritt wird der Stromkreis getrennt durch Öffnung des Schaltkontaktes des Trennschalters zur Unterbrechung eines Dauerstroms. Durch die Öffnung der Schaltkontakte entsteht zwischen den Schaltkontakten ein Lichtbogen. Im fünften Verfahrensschritt wird der Lichtbogen gelöscht, der nach Aktivieren des Trennschalters zwischen den Schaltkontakten gebildet wird. Dazu wird ein elektrischer Strom in den Trennschalter geleitet, der dem darin fließenden Strom entgegen gerichtet ist. Beide elektrischen Ströme überlagern sich und kompensieren sich derart, dass die resultierende Stromstärke 0 A beträgt. Erfindungsgemäß wird die Gleichstromschnellschalteinrichtung beim Auftreten von hohen Spannungen und/oder Strömen (ca. das 1,5-fache der Nennleistung der Gleichstromschnellschalteinrichtung) entladen. Dazu weist die Gleichstromschnellschalteinrichtung einen Rückleiter auf, der dafür vorgesehen und geeignet ist, Gleichströme aus der Gleichstromschnellschalteinrichtung abzuleiten. Erfindungsgemäß wird die Gleichstrom-Schnellschalteinrichtung bei Auftreten von hohen Spannungen und/oder Strömen entladen. Dadurch wird bei Auftreten von Spannungsspitzen in der Größenordnung größer 1500 V in der Gleichstromschnellschalteinrichtung eine Beschädigung der darin angeordneten Bauteile vermieden.In the third method step, a circuit breaker in the DC high-speed switching device is activated. The circuit breaker disconnects the busbar, which supplies the direct current-carrying conductor with electrical energy, from the energy supply. In the fourth process step, the circuit is separated by opening the switching contact of the isolating switch to interrupt a continuous current. The opening of the switching contacts creates an arc between the switching contacts. In the fifth process step, the arc that forms between the switching contacts after the isolating switch is activated is extinguished. To do this, an electric current is fed into the circuit breaker in the opposite direction to the current flowing in it. Both electrical currents are superimposed and compensate each other in such a way that the resulting current is 0 A. According to the invention, the high-speed direct-current switching device is discharged when high voltages and/or currents (approximately 1.5 times the nominal power of the high-speed direct-current switching device) occur. For this purpose, the high-speed direct-current switching device has a return conductor which is provided and suitable for deriving direct currents from the high-speed direct-current switching device. According to the invention, the high-speed direct current switching device is discharged when high voltages and/or currents occur. As a result, damage to the components arranged therein is avoided when voltage peaks in the order of magnitude greater than 1500 V occur in the DC high-speed switching device.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Leistungshalbleiter geschaltet, wenn ein Strom entgegen der Stromvorzugsrichtung erfasst wird. Der Leistungshalbleiter ermöglicht einen Stromfluss derart, dass der Stromfluss dem abzuschaltenden Stromfluss entgegen gerichtet ist. Die Gleichstromschnellschalteinrichtung weist insbesondere mindestens zwei Leistungshalbleiter auf, die antiparallel geschaltet sind. Je nach Richtung des abzuschaltenden Stromes wird derjenige Leistungshalbleiter aktiviert, der einen Stromfluss entgegen der Stromrichtung des abzuschaltenden Stromes ermöglicht. Das erfindungsgemäße Schaltgerät ist daher ohne weitere Zusatzbauteile auch für unterschiedliche Polungen des Fahrstroms geeignet.In an advantageous development of the invention, the power semiconductor is switched when a current is detected in the opposite direction to the preferred current direction. The power semiconductor enables a current flow in such a way that the current flow is directed in the opposite direction to the current flow to be switched off. The high-speed direct-current switching device has, in particular, at least two power semiconductors which are connected anti-parallel. Depending on the direction of the current to be switched off, that power semiconductor is activated which enables a current to flow in the opposite direction to the current to be switched off. The switching device according to the invention is therefore also suitable for different polarities of the traction current without additional components.

In einer weiteren Gestaltung der Erfindung wird durch das Schalten des Leistungshalbleiters ein Kondensator umgeladen. Der Kondensator wird zur Gewährleistung der Betriebsbereitschaft der Gleichstromschnellschalteinrichtung zwischen den Entladevorgängen derart aufgeladen, dass bei Entladung des Kondensators ein elektrischer Strom erzeugt wird, der dem elektrischen Strom des Lichtbogens entgegen gerichtet ist. Je nach Richtung des abzuschaltenden Stromes wird der Leistungshalbleiter aktiviert, der einen Stromfluss entgegen der Stromrichtung des abzuschaltenden Stromes ermöglicht.In a further embodiment of the invention, a capacitor is recharged by switching the power semiconductor. To ensure that the DC high-speed switching device is ready for operation, the capacitor is charged between the discharging processes in such a way that when the capacitor is discharged, an electric current is generated which is directed in the opposite direction to the electric current of the arc. Depending on the direction of the current to be switched off, the power semiconductor is activated, which enables current to flow in the opposite direction to the current to be switched off.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung erfolgt das Umladen des Löschkondensators vor dem Aktivieren des Trennschalters. Nach Aktivierung des Trennschalters wird daher durch Entladung des Kondensators ein elektrischer Strom erzeugt, der dem elektrischen Strom des Lichtbogens im Trennschalter entgegen gerichtet ist.In a further embodiment of the invention, the quenching capacitor is recharged before the isolating switch is activated. After activation of the circuit breaker, an electric current is therefore generated by discharging the capacitor, which is directed against the electric current of the arc in the circuit breaker.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Lichtbogen durch die Entladung des zuvor umgeladenen Löschkondensators gelöscht. Der Löschkondensator wird zur Gewährleistung der Betriebsbereitschaft der Gleichstromschnellschalteinrichtung zwischen den Entladevorgängen derart aufgeladen, dass bei Entladung des Kondensators ein elektrischer Strom erzeugt wird, der dem elektrischen Strom des Lichtbogens entgegen gerichtet ist.In a further embodiment of the invention, the arc is extinguished by discharging the quenching capacitor, which was previously charged. To ensure that the DC high-speed switching device is ready for operation, the quenching capacitor is charged between the discharge processes in such a way that when the capacitor is discharged, an electric current is generated which is directed in the opposite direction to the electric current of the arc.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Löschkondensator der Gleichstromschnellschalteinrichtung bei Auftreten von hohen Spannungen entladen. Der Löschkondensator wird zur Gewährleistung der Betriebsbereitschaft der Gleichstromschnellschalteinrichtung zwischen den Entladevorgängen derart aufgeladen, dass bei Entladung des Kondensators ein elektrischer Strom erzeugt wird, der dem elektrischen Strom des Lichtbogens entgegen gerichtet ist.In a development of the invention, the quenching capacitor of the high-speed direct current switching device is discharged when high voltages occur. To ensure that the DC high-speed switching device is ready for operation, the quenching capacitor is charged between the discharge processes in such a way that when the capacitor is discharged, an electric current is generated which is directed in the opposite direction to the electric current of the arc.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung wird der Löschkondensator der Gleichstromschnellschalteinrichtung durch einen parallel geschalteten Chopper und/oder Kaltwiderstand entladen. Chopper und/oder Kaltwiderstand weisen üblicherweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Entladung der im Kondensator gespeicherten elektrischen Energie wird daher sehr effizient und schnell in Wärme umgewandelt.In a further embodiment of the invention, the quenching capacitor of the high-speed direct current switching device is discharged by a parallel-connected chopper and/or cold resistor. Choppers and/or cold resistors usually have high thermal conductivity. The discharge of the im Electrical energy stored in the capacitor is therefore converted into heat very efficiently and quickly.

In einer weiteren Gestaltung der Erfindung wird der Dauerstrom über einen metallischen Kontakt mit einer Vakuumkammer geführt. Die Vakuumkammer weist den Trennschalter auf, mit dem eine schnelle und zuverlässige Unterbrechung eines Speisestroms möglich ist. Zusätzlich entsteht in der Vakuumkammer kein Plasma, das die Kontakte verschmutzt und in periodisch auftretenden Abständen eine aufwändige Reinigung erfordern würde. Die Vakuumkammer ist außerdem gegen elektrische Ströme so gut isoliert, dass eine hohe Sicherheit für Personen, insbesondere für das Wartungspersonal, besteht.In a further embodiment of the invention, the continuous current is conducted via a metallic contact with a vacuum chamber. The vacuum chamber has the circuit breaker, which allows a fast and reliable interruption of a supply current. In addition, no plasma is created in the vacuum chamber, which would soil the contacts and require time-consuming cleaning at periodic intervals. The vacuum chamber is also so well insulated against electrical currents that there is a high level of safety for people, especially maintenance personnel.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die durch die Gleichstromschnellschalteinrichtung fließenden Ströme und/oder Spannungen durch einen zweiten Freilaufkreis abgebaut. Der zweite Freilaufkreis gewährleistet, dass nach der Schnelltrennung durch den Trennschalter die in den Induktivitäten der Strecke vorhandene Energie durch Freilaufströme schnell abgebaut wird. Etwaig auftretende Spannungsspitzen werden durch den ersten Freilaufkreis abgebaut.In an advantageous embodiment of the invention, the currents and/or voltages flowing through the DC high-speed switching device are reduced by a second freewheeling circuit. The second freewheeling circuit ensures that the energy present in the inductances of the path is quickly dissipated by freewheeling currents after the quick disconnection by the isolating switch. Any voltage peaks that occur are reduced by the first freewheeling circuit.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung führt der zweite Freilaufkreis den Strom über einen Anschluss für einen Rückleiter. Der Rückleiter leitet Gleichströme aus der Gleichstromschnellschalteinrichtung ab.In a further embodiment of the invention, the second freewheeling circuit carries the current via a connection for a return conductor. The return conductor diverts direct currents from the high-speed direct current switching device.

Die genannte Aufgabe wird weiterhin mittels der Gleichstromschnellschalteinrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst.The stated object is also achieved by means of the direct current high-speed switching device according to claim 11.

Die erfindungsgemäße Gleichstromschnellschalteinrichtung weist einen Trennschalter sowie einen Löschkreis auf. Der Löschkreis ist dafür vorgesehen und geeignet, einen Gleichstrom in gegenläufiger Richtung des zu unterbrechenden Gleichstroms zu erzeugen. Die erfindungsgemäße Gleichstromschnellschalteinrichtung ist zwischen der mit Strom zu versorgenden Strecke und der Strom-Sammelschiene angeordnet. Der Trennschalter ist üblicherweise ein Vakuum-Trennschalter, mit dem eine schnelle und zuverlässige Unterbrechung eines Speisestroms möglich ist. Außerdem weist die Gleichstromschnellschalteinrichtung einen Rückleiter auf, der dafür vorgesehen und geeignet ist, Gleichströme aus der Gleichstromschnellschalteinrichtung abzuleiten. Vorteilhafterweise weist die Gleichstromschnellschalteinrichtung zwei antiparallel geschaltete Leistungshalbleiter auf.The DC high-speed switching device according to the invention has a disconnector and a quenching circuit. The extinguishing circuit is intended and suitable for generating a direct current in the opposite direction of the direct current to be interrupted. The direct current high-speed switching device according to the invention is arranged between the line to be supplied with current and the current busbar. The circuit breaker is usually a vacuum circuit breaker, with which a fast and reliable interruption of a supply current is possible. In addition, the high-speed direct current switching device has a return conductor which is provided and suitable for deriving direct currents from the high-speed direct current switching device. Advantageously, the direct current high-speed switching device has two power semiconductors connected antiparallel.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Gleichstromschnellschalteinrichtung ein Stromerfassungsglied auf, das dafür vorgesehen und dafür geeignet ist die Richtung des Stromflusses zu erfassen.In an advantageous development of the invention, the direct current high-speed switching device has a current detection element which is provided and suitable for detecting the direction of the current flow.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist das Stromerfassungsglied ein Stromwandler. Der Stromwandler ist ein Strommessgerät für Gleichstrom und üblicherweise ein Magnetfeldsensor, z.B. ein Hall-Sensor oder ein Fluxgate-Magnetometer.In a further embodiment of the invention, the current detection element is a current transformer. The current transformer is a current measuring device for direct current and usually a magnetic field sensor, e.g. a Hall sensor or a fluxgate magnetometer.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Gleichstromschnellschalteinrichtung einen ersten Freilaufkreis auf, der dafür vorgesehen und geeignet ist, während des Schaltvorganges auftretende Überspannungen und/oder Stromspitzen abzubauen. Der erste Freilaufkreis ist mit dem Rückleiter verbunden und verhindert bei Auftreten von Spannungsspitzen in der Größenordnung größer 1500 V in der Gleichstromschnellschalteinrichtung eine Beschädigung der darin angeordneten Bauteile. Die erfindungsgemäße Gleichstromschnellschalteinrichtung ist daher für Gleichstromnetze im Bereich von typischerweise 600V bis 1500V einsetzbar, während die Stromstärke bis zu 12kA betragen kann.In a further embodiment of the invention, the direct current high-speed switching device has a first freewheeling circuit which is provided and suitable for dissipating overvoltages and/or current peaks occurring during the switching process. The first freewheeling circuit is connected to the return conductor and prevents damage to the components arranged therein when voltage peaks in the order of magnitude greater than 1500 V occur in the direct current high-speed switching device. The DC high-speed switching device according to the invention can therefore be used for DC networks in the range of typically 600V to 1500V, while the current can be up to 12kA.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein zweiter Freilaufkreis vorgesehen. Der zweite Freilaufkreis weist einen Anschluss für einen Rückleiter auf. Der zweite Freilaufkreis gewährleistet, dass nach der Schnelltrennung durch den Trennschalter die in den Induktivitäten der Strecke vorhandene Energie durch Freilaufströme schnell abgebaut wird. Etwaig auftretende Spannungsspitzen werden durch den ersten Freilaufkreis abgebaut.In a development of the invention, a second freewheeling circuit is provided. The second freewheeling circuit has a connection for a return conductor. The second freewheeling circuit ensures that the energy present in the inductances of the path is quickly dissipated by freewheeling currents after the quick disconnection by the isolating switch. Any voltage peaks that occur are reduced by the first freewheeling circuit.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung verlaufen der erste und der zweite Freilaufkreis teilweise parallel und sind nur teilweise durch die Gleichstromschnellschalteinrichtung geführt. Damit ist gewährleistet, dass der erste Freilaufkreis nur bei auftretenden Spannungsspitzen stromdurchflossen ist. Der zweite Freilaufkreis baut die regulär bei einer Trennung auftretende elektrische Energie ab. Beide Freilaufkreise sind außerdem durch eine Gleichrichter-Diode voneinander getrennt. Insbesondere der zweite Freilaufkreis ist teilweise außerhalb der Gleichstromschnellschalteinrichtung angeordnet. Die Gleichstromschnellschalteinrichtung kann daher auch in beengten Platzverhältnissen angeordnet werden.In a further aspect of the invention, the first and second freewheeling circuits run partially in parallel and are only partially routed through the direct current high-speed switching device. This ensures that current only flows through the first freewheeling circuit when voltage peaks occur. The second freewheeling circuit dissipates the electrical energy that normally occurs when there is a disconnection. Both freewheeling circuits are also separated from each other by a rectifier diode. In particular, the second freewheeling circuit is partially arranged outside of the direct current high-speed switching device. The DC high-speed switching device can therefore also be arranged in confined spaces.

In einer weiteren Gestaltung der Erfindung weist der erste Freilaufkreis eine Strombegrenzungsvorrichtung auf. Die Strombegrenzungsvorrichtung ist üblicherweise ein elektrischer Widerstand, der vorteilhafterweise eine hohe Wärmekapazität aufweist. Die im ersten Freilaufkreis wandelt daher die geleitete elektrische Energie sehr effizient und schnell in Wärme um.In a further embodiment of the invention, the first freewheeling circuit has a current-limiting device. The current-limiting device is usually an electrical resistor, which advantageously has a high heat capacity. The in the first freewheeling circuit therefore converts the electrical energy conducted into heat very efficiently and quickly.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Strombegrenzungsvorrichtung des ersten Freilaufkreises in der Gleichstromschnellschalteinrichtung angeordnet. Die Strombegrenzungsvorrichtung ist daher durch das Gehäuse der Gleichstromschnellschalteinrichtung vor Witterungseinflüssen geschützt und kann zusätzlich mit einer Kühlung versehen werden, um die in der Strombegrenzungsvorrichtung auftretende Wärme effizient abzuleiten.In a further embodiment of the invention, the current-limiting device of the first freewheeling circuit is arranged in the direct-current high-speed switching device. The current-limiting device is therefore protected from the effects of the weather by the housing of the DC high-speed switching device and can also be provided with a cooling system in order to efficiently dissipate the heat that occurs in the current-limiting device.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Strombegrenzungsvorrichtung des ersten Freilaufkreises der Gleichstromschnellschalteinrichtung eine Chopperschaltung und/oder ein Kaltleiter. Der elektrische Widerstand der Strombegrenzungsvorrichtung erhöht sich also mit der durch den Stromfluss in der Strombegrenzungsvorrichtung steigenden Temperatur und begrenzt dadurch den durch den ersten Freilaufkreis fließenden elektrischen Strom.In a further embodiment of the invention, the current-limiting device of the first freewheeling circuit of the direct-current high-speed switching device is a chopper circuit and/or a PTC thermistor. The electrical resistance of the current-limiting device thus increases with the temperature rising due to the current flow in the current-limiting device and thereby limits the electric current flowing through the first freewheeling circuit.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung weist der Löschkreis einen Löschkondensator auf. Die Strombegrenzungsvorrichtung des ersten Freilaufkreises ist parallel zum Löschkondensator geschaltet. Der Löschkondensator wird zur Gewährleistung der Betriebsbereitschaft der Gleichstromschnellschalteinrichtung zwischen den Entladevorgängen ständig aufgeladen.In a further embodiment of the invention, the quenching circuit has a quenching capacitor. The current-limiting device of the first freewheeling circuit is connected in parallel with the turn-off capacitor. The quenching capacitor is constantly charged between the discharge processes to ensure that the high-speed direct current switching device is ready for operation.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Zeichnungen schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Exemplary embodiments of the device according to the invention and the method according to the invention are shown schematically simplified in the drawings and are explained in more detail in the following description.

Es zeigen:

  • 1a Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Gleichstromschnellschalteinrichtung
  • 1b Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t=0 ms, im Normalbetrieb
  • 2 a Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t=0 ms, Rekuperation
  • 2 b Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t=0,25 ms, Rekuperation
  • 3 a Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t=0,25 ms, Rekuperation
  • 3 b Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t=1,2 ms, Rekuperation
  • 4 a Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>1,2 ms, Rekuperation
  • 4 b Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>1,2 ms, Rekuperation
  • 5 a Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms, Rekuperation
  • 5 b Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>2 ms, Rekuperation
  • 6 a Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms, interner Freilaufkreis geschaltet, Rekuperation
  • 6 b Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms, interner Freilaufkreis geschaltet, Rekuperation
  • 7 a Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms, interner Freilaufkreis geschaltet, Rekuperation
  • 7 b Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms, interner Freilaufkreis geschaltet, Rekuperation
  • 8 a Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms, interner Freilaufkreis geschaltet, Rekuperation
  • 8 b Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes und Zündung des Löschthyristors für große Ströme zum Zeitpunkt t>=2 ms, interner Freilaufkreis geschaltet, Rekuperation
Show it:
  • 1a Circuit diagram of an embodiment of the DC high-speed switching device according to the invention
  • 1b Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t=0 ms, in normal operation
  • 2 a Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t=0 ms, recuperation
  • 2 B Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t=0.25 ms, recuperation
  • 3 a Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t=0.25 ms, recuperation
  • 3 b Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t=1.2 ms, recuperation
  • 4 a Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t>1.2 ms, recuperation
  • 4 b Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t>1.2 ms, recuperation
  • 5 a Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t>=2 ms, recuperation
  • 5 b Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t>2 ms, recuperation
  • 6 a Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t>=2 ms, internal free-wheeling circuit switched, recuperation
  • 6 b Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t>=2 ms, internal free-wheeling circuit switched, recuperation
  • 7 a Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t>=2 ms, internal free-wheeling circuit switched, recuperation
  • 7 b Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t>=2 ms, internal free-wheeling circuit switched, recuperation
  • 8 a Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t>=2 ms, internal free-wheeling circuit switched, recuperation
  • 8 b Current curves for opening the switching device and triggering the turn-off thyristor for large currents at time t>=2 ms, internal free-wheeling circuit switched, recuperation

Den schematischen Aufbau der Schaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt 1. Die Schnellschalteinrichtung SSM ist in diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen an einer Gleichstrom-Bahnstromversorgung angeordnet. Die Schnellschalteinrichtung SSM ist über einen zweipoligen Doppel-Trennschalter DT einerseits mit der Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und andererseits mit der Strecke ST verbunden. Im abgeschalteten Zustand wird die Strecke mittels des zweipoligen Doppel-Trennschalters DT galvanisch von der Sammelschiene getrennt. Der Vakuumschalter VS ist zwischen Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und der Strecke ST angeordnet und dient einerseits dem Führen von Betriebsströmen, Last- oder Kurzschlussströmen in beiden Stromrichtungen und andererseits zur schnellen Herstellung einer galvanischen Trennstrecke. Der Antrieb des Vakuumschalters VS erfolgt mittels eines elektromagnetischen Antriebes. Im Strompfad des Vakuumschalters VS ist ein Stromerfassungsglied T angeordnet, das die Betriebs- und Fehlerströme erfasst. Parallel zum Vakuumschalter VS ist ein Löschkreis LK zwischen Sammelschiene SS der Bahnstromversorgung und der Strecke ST angeordnet. Dieser Löschkreis LK besteht aus einem Löschkondensator K und zwei mit diesem in Reihe liegenden antiparallel angeordneten Löschthyristoren LT1, LT2.The schematic structure of the circuit of the device according to the invention shows 1 . In this and the following exemplary embodiments, the high-speed switching device SSM is arranged on a DC traction power supply. The high-speed switching device SSM is connected to the busbar SS of the railway power supply on the one hand and to the line ST via a two-pole double disconnector DT on the other hand. In the switched-off state, the route is determined using the two galvanically separated from the busbar by the DT double-pole disconnector. The vacuum switch VS is located between the busbar SS of the railway power supply and the section ST and is used on the one hand to conduct operating currents, load or short-circuit currents in both current directions and on the other hand to quickly create a galvanic isolating distance. The vacuum switch VS is driven by an electromagnetic drive. A current detection element T, which detects the operating and fault currents, is arranged in the current path of the vacuum switch VS. A quenching circuit LK is arranged parallel to the vacuum switch VS between the busbar SS of the railway power supply and the line ST. This turn-off circuit LK consists of a turn-off capacitor K and two anti-parallel turn-off thyristors LT1, LT2 which are connected in series with it.

Derzeitige schienengebundene Fahrzeuge sind in der Lage, die bei negativer Beschleunigung auftretende Energie in die Fahrleitung oder die eingebaute Batterie zurück zu laden (Rekuperation). Für das erfindungsgemäße Schaltgerät SSM ist daher von unterschiedlichen Stromrichtungen auszugehen. Die technische Stromrichtung ist während des Normalbetriebs (1 b) eines Schienenfahrzeugs von ST nach SS, während der Rekuperation (1 a) des Schienenfahrzeugs von ST nach SS. Das erfindungsgemäße Schaltgerät SSM ist daher ohne weitere Zusatzbauteile auch für unterschiedliche Polungen des Fahrstroms geeignet.Current rail-bound vehicles are able to recharge the energy that occurs during negative acceleration into the catenary or the built-in battery (recuperation). Different current directions are therefore to be assumed for the switching device SSM according to the invention. The technical current direction is during normal operation ( 1 b) of a rail vehicle from ST to SS, during recuperation ( 1 a) of the rail vehicle from ST to SS. The switching device SSM according to the invention is therefore also suitable for different polarities of the traction current without additional components.

Ebenfalls parallel zum Vakuumschalter VS ist der interne Freilaufkreis iFK angeordnet, der Anschluss ist zwischen Löschkondensator K und den Löschthyristoren LT1, LT2. Der interne Freilaufkreis iFK weist einen Thyristor CT, eine antiparallel in Reihe geschaltete Freilaufdiode D sowie einen dazwischenliegenden Widerstand CW (Chopper und/oder Kaltleiter) auf.The internal freewheeling circuit iFK is also arranged in parallel with the vacuum switch VS; the connection is between the turn-off capacitor K and the turn-off thyristors LT1, LT2. The internal freewheeling circuit iFK has a thyristor CT, a freewheeling diode D connected antiparallel in series and a resistor CW (chopper and/or PTC thermistor) in between.

Ein Prüfkreis PK ist ebenfalls parallel zum Vakuumschalter VS angeordnet, der vor der Wiederzuschaltung der Strecke diese auf ihren aktuellen Zustand überprüft. Der Prüfkreis PK besteht aus einer Reihenschaltung von einem Schalter VP, einem Strommessglied Tp und einem Prüfwiderstand PW. Zur Streckenprüfung wird das Prüfschütz eingeschaltet und mit dem Strommessglied Tp der durch den Prüfwiderstand PW fließende Strom erfasst. Der Einsatz des Prüfschütz hat den Vorteil, dass bei negativer Streckenprüfung klein Prüfstrom gelöscht werden muss, wie es bei der Verwendung eines Prüfthyristor VP der Fall wäre.A test circuit PK is also arranged in parallel with the vacuum switch VS, which checks the current status of the line before it is reconnected. The test circuit PK consists of a series connection of a switch VP, a current measuring element Tp and a test resistor PW. For the section test, the test contactor is switched on and the current flowing through the test resistor PW is recorded with the current measuring element Tp. The use of the test contactor has the advantage that in the case of a negative section test, a small test current must be extinguished, as would be the case when using a VP test thyristor.

Außerdem weist die Schnellschalteinrichtung SSM einen zweiten Freilaufkreis eFK auf, der zwei Zweige aufweist, von denen einer zwischen dem Anschluss des Vakuumschalters VS- und der andere zwischen der Strecke ST und dem Rückleiter RL angeordnet ist. Der zweite Freilaufkreis eFK weist die Freilaufdiode D auf. Der zweite Freilaufkreis eFK gewährleistet, dass nach der Herstellung der galvanischen Trennstrecke im Vakuumschalter VS die in den Induktivitäten der Strecke vorhandene Energie durch Freilaufströme schnell abgebaut wird.In addition, the high-speed switching device SSM has a second freewheeling circuit eFK, which has two branches, one of which is arranged between the connection of the vacuum switch VS and the other between the path ST and the return conductor RL. The second freewheeling circuit eFK has the freewheeling diode D. The second freewheeling circuit eFK ensures that the energy present in the inductances of the section is quickly dissipated by freewheeling currents after the galvanic isolating distance has been established in the vacuum switch VS.

Durch das Steuergerät EBG wird der Abschaltvorgang bei Erreichen eines eingestellten Grenzwertes des Betriebsstromes selbsttätig ausgelöst. Das Steuergerät EBG verarbeitet die erfassten Messwerte und gibt die entsprechenden Steuerbefehle an den Vakuumschalter VS sowie die Löschthyristoren LT1, LT2 aus. Durch die Auswertung des Stromsignals vom Stromerfassungsglied T und der Stromanstiegsgeschwindigkeit wird entsprechend der eingestellten Grenzwerte der Öffnungsvorgang des Vakuumschalters VS selbsttätig eingeleitet. In Abhängigkeit vom zu schaltenden Betriebsstrom, der Dimensionierung des Löschkreises, insbesondere der Kapazität des Löschkondensators K, erfolgt die zeitoptimierte Ansteuerung der Löschthyristoren LT1, LT2. Durch das Steuergerät EBG wird auch die Streckenprüfung durchgeführt, bei der unter Einbeziehung der aktuellen Abgangsspannung die Berechnung des Streckenwiderstandes erfolgt. Außerdem regelt das Steuergerät EBG die Ansteuerung des Thyristors CT und damit die Freischaltung des internen Freilaufkreises iFK bei großen Leistungen.The EBG control unit automatically triggers the switch-off process when the operating current reaches a set limit value. The EBG control unit processes the recorded measured values and issues the corresponding control commands to the vacuum switch VS and the turn-off thyristors LT1, LT2. By evaluating the current signal from the current detection element T and the rate of current rise, the opening process of the vacuum switch VS is automatically initiated in accordance with the set limit values. Depending on the operating current to be switched, the dimensioning of the turn-off circuit, in particular the capacitance of the turn-off capacitor K, the turn-off thyristors LT1, LT2 are driven in a time-optimized manner. The route test is also carried out by the EBG control unit, in which the route resistance is calculated taking into account the current outgoing voltage. In addition, the EBG control unit regulates the actuation of the thyristor CT and thus the release of the internal freewheeling circuit iFK at high power levels.

Die Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM für große Rekuperationsströme zum Zeitpunkt t=0,101 ms zeigt 2. Die technische Stromrichtung wird in diesem und den folgenden Abbildungen durch die Pfeile gekennzeichnet. Die Stromstärken und - spannungen sind in dieser und den folgenden Abbildungen aufgrund der Darstellung einer Abschaltung eines Rekuperationsstroms negativ (<0) dargestellt.The current curves for opening the SSM switching device for large recuperation currents at time t=0.101 ms 2 . The technical flow direction is indicated by the arrows in this and the following figures. The current strengths and voltages are shown negatively (<0) in this and the following figures due to the depiction of a shutdown of a recuperation current.

In 2 a ist die Schaltung gemäß 1 im Betrieb dargestellt. Zum Zeitpunkt t=0 ms tritt ein Kurzschlussstrom IL auf, der abgeschaltet werden soll, d. h. ein Kurzschluss auf der Strecke ST wird durch die Bahnstromversorgung über die Sammelschiene SS gespeist (2 a). Der Schaltbefehl erfolgt in dieser und den folgenden Abbildungen zum Zeitpunkt 0,1 ms (2 b). Der Vakuumschalter VS ist zu diesem Zeitpunkt geschlossen. Der ansteigende Kurzschlussstrom IL (2 b) wird durch das Stromerfassungsglied T im Strompfad des Vakuumschalters VS erfasst.In 2 a is the circuit according to 1 shown in operation. At time t=0 ms, a short-circuit current IL occurs that is to be switched off, ie a short-circuit on the section ST is fed by the traction power supply via the busbar SS ( 2 a) . The switching command occurs in this and the following figures at the time of 0.1 ms ( 2 B) . The vacuum switch VS is closed at this time. The increasing short-circuit current IL ( 2 B) is detected by the current detection element T in the current path of the vacuum switch VS.

3 zeigt Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM und Zündung des Löschthyristors LT1, LT2 für große Ströme zum Zeitpunkt t= 0,101 s. In 3 a sind die zu diesem Zeitpunkt aktiven Stromkreise der Gleichstromschnellschalteinrichtung SSM gemäß 1 dargestellt. Nach Erfassung des Kurzschlussstroms IL wird der Kondensator K vorgeladen (3 b). Dazu zündet das Steuergerät EBG den Löschthyristor LT2, der einen Stromfluss durch den Löschkreis LK ermöglicht. Der Strom lädt den Kondensator K. 3 shows current curves for opening the switching device SSM and triggering the turn-off thyristor LT1, LT2 for large currents at time t= 0.101 s. In 3 a are active at this time ven circuits of the direct current high-speed switching device SSM according to 1 shown. After detecting the short-circuit current IL, the capacitor K is precharged ( 3 b) . To do this, the EBG control unit fires the turn-off thyristor LT2, which enables a current to flow through the turn-off circuit LK. The current charges the capacitor K.

Die Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM und Zündung des Löschthyristors LT1, LT2 für große Ströme zum Zeitpunkt t= 0,101 ms zeigt 4. In 4 a sind die zu diesem Zeitpunkt aktiven Stromkreise der Gleichstromschnellschalteinrichtung SSM gemäß 1 dargestellt. Bei Erreichen eines einstellbaren Betriebsstromes von mehr als 4 kA wird von der Steuereinheit EBG der Ausschaltbefehl für den Vakuumschalter VS gegeben, der Antrieb beginnt die Kontakte des Vakuumschalters VS zu trennen (4 a). Zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS entsteht ein Lichtbogen. Die Kontaktöffnung verläuft über den Kontaktweg des Vakuumschalters VS gleichmäßig, der maximale Kontaktabstand beträgt 3 2 mm. Der Kurzschlussstrom IL fließt über den sich beim Abheben des Kontaktes innerhalb der Vakuumkammer ausbildenden Schaltlichtbogens weiter (4 b).The current curves for opening the switching device SSM and triggering the turn-off thyristor LT1, LT2 for large currents at time t=0.101 ms 4 . In 4 a are the active circuits of the high-speed direct current switching device SSM at this time 1 shown. When an adjustable operating current of more than 4 kA is reached, the control unit EBG gives the switch-off command for the vacuum switch VS, the drive starts to separate the contacts of the vacuum switch VS ( 4 a) . An arc is created between the contacts of the vacuum switch VS. The contact opening runs evenly over the contact path of the vacuum switch VS, the maximum contact distance is 3 2 mm. The short-circuit current IL continues to flow via the switching arc that forms within the vacuum chamber when the contact is lifted ( 4 b) .

Die Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM und Zündung des Löschthyristors LT1, LT2 für große Ströme zum Zeitpunkt t= 0,102 ms zeigt 5. In 5 a sind die zu diesem Zeitpunkt aktiven Stromkreise der Gleichstromschnellschalteinrichtung SSM gemäß 1 dargestellt. Zur Löschung des Lichtbogens zwischen den Kontakten des Vakuumschalters VS muss der darin fließende Strom ISU den Wert von 0 A annehmen, weil durch Öffnung des Vakuumschalters VS der fließende Kurzschlussstrom IL abgeschaltet wird. Dazu steuert die Steuereinheit EBG den Löschthyristor LT1 an, der den Löschkreis LK freischaltet. Durch die Vorladung des Löschkondensators K wird in dem Löschkreis LK ein Strom ISU generiert (5 b), der dem fließenden Strom IL in dem Vakuumschalter VS entgegen gerichtet ist (5 a). Die beiden im Vakuumschalter VS fließenden Ströme, der Kurzschlussstrom IL und der Löschstrom ISU, überlagern sich. Die beiden Ströme, der Kurzschlussstrom IL und der Löschstrom, weisen jeweils eine derartige Stromstärke bei entgegengesetzter Richtung auf, dass der resultierende Schalterstrom im Vakuumschalter VS einen Wert von 0 A erreicht. Als Folge verlischt der Lichtbogen im Vakuumschalter VS. Mit dem Erlöschen des Lichtbogens steigt der Betrag der momentan vorhandenen Spannung UKC des Löschkondensators K an. Übersteigt diese Spannung UKC die zu diesem Zeitpunkt bestehende Durchschlagsfestigkeit der Schaltstrecke im Vakuumschalter VS nicht, zündet der Lichtbogen nicht wieder und der Kurzschlussstrom IL ist abgeschaltet.The current curves for opening the switching device SSM and triggering the turn-off thyristor LT1, LT2 for large currents at time t=0.102 ms 5 . In 5 a are the active circuits of the high-speed direct current switching device SSM at this time 1 shown. In order to extinguish the arc between the contacts of the vacuum circuit breaker VS, the current ISU flowing therein must assume a value of 0 A, because the short-circuit current IL flowing through the vacuum circuit breaker VS is switched off. For this purpose, the control unit EBG controls the turn-off thyristor LT1, which activates the turn-off circuit LK. Due to the pre-charging of the quenching capacitor K, a current ISU is generated in the quenching circuit LK ( 5b) , which is directed against the current IL flowing in the vacuum interrupter VS ( 5 a) . The two currents flowing in the vacuum interrupter VS, the short-circuit current IL and the quenching current ISU, are superimposed. The two currents, the short-circuit current IL and the quenching current, each have such a current strength in opposite directions that the resulting switch current in the vacuum switch VS reaches a value of 0 A. As a result, the arc in the vacuum switch VS is extinguished. When the arc is extinguished, the magnitude of the instantaneously present voltage UKC of the quenching capacitor K increases. If this voltage UKC does not exceed the dielectric strength of the switching gap in the vacuum interrupter VS at that point in time, the arc does not ignite again and the short-circuit current IL is switched off.

6 zeigt die Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM und Zündung des Löschthyristors LT1, LT2 für große Ströme zum Zeitpunkt t= 0,104 ms. In 6 a sind die zu diesem Zeitpunkt aktiven Stromkreise der Gleichstromschnellschalteinrichtung SSM gemäß 1 dargestellt. Aufgrund der erfolgten Abschaltung des Lichtbogens des Vakuumschalters VS fließt zu diesem Zeitpunkt ein Strom durch den zweiten, in Teilen außerhalb der Schnellschalteinrichtung SSM angeordneten Freilaufkreis eFK und den Löschkreis LK (6 a), wobei der Löschkondensator K als Zwischenspeicher fungiert. Der Löschkondensator K wird dabei außerdem wieder aufgeladen (vorgeladen). Der externe Freilaufkreis eFK gewährleistet, dass nach der Herstellung der galvanischen Trennstrecke die in der Strecke ST vorhandene Energie aufgrund der fließenden Freilaufströme abgebaut wird (6 b). Damit auch in außergewöhnlichen Situationen ein fließender Gleichstrom sicher und zuverlässig abgeschaltet wird, kann vorgesehen werden, dass die Löschthyristoren LT1, LT2 wiederholt gezündet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren, wie in 2 bis 6 dargestellt, kann bei Bedarf also sofort wiederholt werden. 6 shows the current curves for opening the switching device SSM and triggering the turn-off thyristor LT1, LT2 for large currents at time t=0.104 ms. In 6 a are the active circuits of the high-speed direct current switching device SSM at this time 1 shown. Due to the fact that the arc of the vacuum circuit breaker VS has been switched off, a current flows at this point in time through the second freewheeling circuit eFK, parts of which are arranged outside the high-speed switching device SSM, and the quenching circuit LK ( 6 a) , where the quenching capacitor K acts as an intermediate store. The turn-off capacitor K is also recharged (pre-charged) in the process. The external freewheeling circuit eFK ensures that after the establishment of the galvanic isolating distance, the energy present in the section ST is dissipated due to the freewheeling currents flowing ( 6 b) . So that a flowing direct current is switched off safely and reliably even in unusual situations, provision can be made for the turn-off thyristors LT1, LT2 to be fired repeatedly. The method according to the invention, as in 2 until 6 shown, so it can be repeated immediately if necessary.

Die Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM und Zündung des Löschthyristors LT1, LT2 für große Ströme zum Zeitpunkt t= 0,105 ms zeigt 7. In 7 a sind die zu diesem Zeitpunkt aktiven Stromkreise der Gleichstromschnellschalteinrichtung SSM gemäß 1 dargestellt. Um etwaig auftretende Überlast-Spannungsspitzen aufzufangen, ist in diesem Ausführungsbeispiel der interne Freilaufkreis iFK geschaltet. Die zu diesem Zeitpunkt in der Schnellschalteinrichtung SSM gespeicherte Energie lädt nach dem Löschen des Lichtbogens im Vakuumschalter VS den Löschkondensator K (s. 6). Dabei können Ladespannungen erreicht werden, die für die Schnellschalteinrichtung SSM und evtl. weitere angeschlossene Komponenten eine Sicherheitsgrenze derart überschreiten, dass Schäden auftreten können. Bei Überschreiten des Betrags der Ladespannung von 1500 V wird der interne Freilaufkreis iFK freigeschaltet (7 a).The current curves for opening the switching device SSM and triggering the turn-off thyristor LT1, LT2 for large currents at time t=0.105 ms 7 . In 7 a are the active circuits of the high-speed direct current switching device SSM at this time 1 shown. In order to absorb any overload voltage peaks that may occur, the internal freewheeling circuit iFK is connected in this exemplary embodiment. The energy stored in the high-speed switching device SSM at this point in time charges the quenching capacitor K after the arc has been extinguished in the vacuum interrupter VS (see Fig. 6 ). In this case, charging voltages can be reached that exceed a safety limit for the high-speed switching device SSM and any other connected components in such a way that damage can occur. If the charging voltage exceeds 1500 V, the internal freewheeling circuit iFK is activated ( 7 a) .

Das Steuergerät EBG zündet dazu den Thyristor CT, wenn der Widerstand im Löschkreis 300 mΩ überschreitet (7 b). Unterschreitet der Betrag der Ladespannung UKC des Kondensators K einen Wert von 1100 V, wird der Thyristor CT wieder gesperrt. Zündung und Sperrung des Thyristors CT werden so lange wiederholt, bis der Betrag der Ladespannung UKC des Kondensators K konstant unter 1500 V liegt. Die auftretende Überspannung UKC bleibt damit unter den bei konventionellen Schnellschaltern oft auftretenden Lichtbogenspannungen.To do this, the EBG control unit fires the thyristor CT if the resistance in the quenching circuit exceeds 300 mΩ ( 7 b) . If the charging voltage UKC of the capacitor K falls below a value of 1100 V, the thyristor CT is blocked again. Triggering and blocking of the thyristor CT are repeated until the value of the charging voltage UKC of the capacitor K is constantly below 1500 V. The overvoltage UKC that occurs thus remains below the arcing voltages that often occur with conventional high-speed circuit breakers.

8 zeigt die Stromverläufe für Öffnung des Schaltgerätes SSM und Zündung des Löschthyristors LT1, LT2 für große Ströme zum Zeitpunkt t= 0,110 ms. In 8 a sind die zu diesem Zeitpunkt aktiven Stromkreise der Gleichstromschnellschalteinrichtung SSM gemäß 1 dargestellt. Sobald der Strom 0 A beträgt und alle Spannungen UKC, UiFK abgebaut sind (8 b), wird der Doppel-Trennschalter DT geöffnet (8 a). Damit ist das Schaltgerät SSM wieder freigeschaltet. 8th shows the current curves for opening the switching device SSM and triggering the turn-off thyristor LT1, LT2 for large currents at time t=0.110 ms. In 8 a are the active circuits of the high-speed direct current switching device SSM at this time 1 shown. As soon as the current is 0 A and all voltages UKC, UiFK are reduced ( 8 b) , the double disconnector DT is opened ( 8 a) . This means that the switching device SSM is enabled again.

BezugszeichenlisteReference List

SSMSSM
GleichstromschnellschalteinrichtungDC high-speed switching device
LKLK
Löschkreisextinguishing circuit
iFKiFK
interner Freilaufkreisinternal freewheel circuit
eFKeFK
externer Freilaufkreisexternal freewheel circuit
PKPC
Prüfkreistest circuit
LT1, LT1LT1, LT1
Löschthyristorenturn-off thyristors
KK
Löschkondensatorquenching capacitor
CWcw
Widerstand interner FreilaufkreisInternal freewheel circuit resistance
SSss
Sammelschienebusbar
VSvs
Trennschalter, VakuumschalterCircuit breaker, vacuum switch
DTDT
Doppel-TrennschalterDouble circuit breaker
EBGEBG
Steuergerätcontrol unit
CTCT
Thyristor interner FreilaufkreisThyristor internal freewheeling circuit
RLRL
Rückleiterreturn conductor
DD
Freilaufdiodefreewheeling diode
TpTp
Strommessglied PrüfkreisCurrent measuring element test circuit
TT
Stromerfassungsgliedcurrent sensing element
PWpw
Widerstand Prüfkreisresistance test circuit
UKCUKC
Spannung LöschkondensatorVoltage quenching capacitor
UiFKUiFK
Spannung interner FreilaufkreisInternal freewheel circuit voltage
ILIL
Strom Last/KurzschlussstromCurrent load/short circuit current
ISUISU
Strom SchnellunterbrecherCurrent circuit breaker
ILKILK
Strom Löschkreiscurrent extinguishing circuit
leFKleFK
Strom externer FreilaufkreisCurrent external free wheel circuit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 10218806 B4 [0004]DE 10218806 B4 [0004]

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Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen umfassend die Verfahrensschritte: • Prüfung einer elektrischen Kenngröße eines an eine Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) angeschlossenen Leiters, wobei die elektrische Kenngröße die Richtung des Stromflusses umfasst • Schalten eines Leistungshalbleiters (LT1, LT2) in Abhängigkeit der erfassten Richtung des Stromflusses • Aktivieren eines Trennschalters (VS) in der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) • Trennen des Stromkreises durch Öffnung der Schaltkontakte des Trennschalters (VS) zur Unterbrechung eines Dauerstroms (II) • Löschen des nach Aktivieren des Trennschalters (VS) durch einen zwischen den Schaltkontakten gebildeten Lichtbogens, wobei die Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) bei Auftreten von hohen Spannungen (UiFK) und/oder Strömen entladen wird.Method for switching direct currents, comprising the method steps: • Testing an electrical parameter of a conductor connected to a DC high-speed switching device (SSM), the electrical parameter comprising the direction of the current flow • Switching a power semiconductor (LT1, LT2) depending on the detected direction of the current flow • Activation of a circuit breaker (VS) in the DC high-speed switching device (SSM) • Separation of the circuit by opening the switching contacts of the circuit breaker (VS) to interrupt a continuous current (II) • Extinguishing of the circuit breaker (VS) activated by an arc formed between the switching contacts, wherein the direct current high-speed switching device (SSM) is discharged when high voltages (U iFK ) and/or currents occur. Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungshalbleiter (LT1, LT2) geschaltet wird, wenn ein Strom entgegen der Stromvorzugsrichtung erfasst wirdMethod for switching direct currents claim 1 characterized in that the power semiconductor (LT1, LT2) is switched when a current is detected counter to the preferred current direction Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass durch das Schalten des Leistungshalbleiters (LT1, LT2) ein Kondensator umgeladen wird.Method for switching direct currents claim 1 or 2 characterized in that a capacitor is recharged by switching the power semiconductor (LT1, LT2). Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Umladen des Löschkondensators (K) vor dem Aktivieren des Trennschalters (VS) erfolgt.Method for switching direct currents according to one or more of the preceding claims , characterized in that the turn-off capacitor (K) is charged before the isolating switch (VS) is activated. Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen durch die Entladung des zuvor umgeladenen Löschkondensators (K) gelöscht wird.Method for switching direct currents according to one or more of the preceding claims , characterized in that the arc is extinguished by discharging the previously charged quenching capacitor (K). Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Löschkondensator (K) der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) bei Auftreten von hohen Spannungen (UiFK) entladen wird.Method for switching direct currents claim 4 or 5 characterized in that the quenching capacitor (K) of the direct current high-speed switching device (SSM) is discharged when high voltages (U iFK ) occur. Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Löschkondensator (K) der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) durch einen parallel geschalteten Chopper und/oder Kaltwiderstand (CW) entladen wird.Method for switching direct currents claim 6 characterized in that the quenching capacitor (K) of the direct current high-speed switching device (SSM) is discharged by a parallel-connected chopper and/or cold resistor (CW). Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Dauerstrom (IL) über einen metallischen Kontakt mit einer Vakuumkammer geführt wird.Method for switching direct currents according to one or more of the preceding claims , characterized in that the continuous current (I L ) is conducted via a metallic contact with a vacuum chamber. Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) fließenden Ströme (Isu) und/oder Spannungen (UKC) durch einen zweiten Freilaufkreis (eFK) abgebaut werden.Method for switching direct currents according to one or more of the preceding claims , characterized in that the currents (Isu) and/or voltages (U KC ) flowing through the high-speed direct current switching device (SSM) are reduced by a second freewheeling circuit (eFK). Verfahren zur Schaltung von Gleichströmen nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Freilaufkreis (eFK) den Strom (IeFK) über einen Anschluss für einen Rückleiter (RL) führt.Method for switching direct currents claim 9 characterized in that the second freewheeling circuit (eFK) carries the current (I eFK ) via a connection for a return conductor (RL). Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) die geeignet und dafür vorgesehen ist, hohe Gleichströme im Last- und Kurzschlussfall abzuschalten, umfassend: • einen Trennschalter (VS) • einen Löschkreis (LK) wobei der Löschkreis (LK) dafür vorgesehen und geeignet ist, einen Strom (ILK) in gegenläufiger Richtung des zu unterbrechenden Gleichstroms (IL) zu erzeugen, und • einen Rückleiter (RL), wobei der Rückleiter (RL) dafür vorgesehen und geeignet ist, Gleichströme aus der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) abzuleiten • zwei antiparallel geschaltete Leistungshalbleiter (LT1, LT2).High-speed direct-current switching device (SSM) which is suitable and intended for switching off high direct currents in the event of a load and short-circuit, comprising: • a disconnector (VS) • a quenching circuit (LK), the quenching circuit (LK) being intended and suitable for this purpose, to switch off a current (I LK ) in the opposite direction of the direct current (I L ) to be interrupted, and • a return conductor (RL), the return conductor (RL) being intended and suitable for deriving direct currents from the direct current high-speed switching device (SSM) • two power semiconductors ( LT1, LT2). Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) ein Stromerfassungsglied (T) aufweist, das dafür vorgesehen und dafür geeignet ist die Richtung des Stromflusses zu erfassen.Direct current high-speed switching device (SSM). claim 11 characterized in that the direct current high-speed switching device (SSM) has a current detection element (T) which is provided and suitable for detecting the direction of the current flow. Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Stromerfassungslied (T) ein Stromwandler ist.Direct current high-speed switching device (SSM). claim 12 characterized in that the current sensing member (T) is a current transformer. Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) einen ersten Freilaufkreis (iFK) aufweist, wobei der Freilaufkreis (iFK) dafür vorgesehen und geeignet ist, während des Schaltvorganges auftretende Überspannungen (UiFK) und/oder Stromspitzen abzubauen.Direct current high-speed switching device (SSM) according to one or more of Claims 11 until 13 characterized in that the direct current high-speed switching device (SSM) has a first freewheeling circuit (iFK), the freewheeling circuit (iFK) being provided and suitable for reducing overvoltages (UiFK) and/or current peaks occurring during the switching process. Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Freilaufkreis (eFK) vorgesehen ist, wobei der zweite Freilaufkreis (eFK) einen Anschluss für einen Rückleiter (RL) aufweist.Direct current high-speed switching device (SSM). Claim 14 characterized in that a second freewheeling circuit (eFK) is provided, wherein the second freewheeling circuit (eFK) has a connection for a return conductor (RL). Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass der erste (CH) und der zweite Freilaufkreis (eFK) teilweise parallel verlaufen und nur teilweise durch die Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) geführt sind.Direct current high-speed switching device (SSM). claim 15 characterized in that the first (CH) and the second freewheeling circuit (eFK) run partially in parallel and are only partially routed through the direct current high-speed switching device (SSM). Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Freilaufkreis (iFK) eine Strombegrenzungsvorrichtung (CW) aufweist.Direct current high-speed switching device (SSM) according to one or more of Claims 11 until 16 characterized in that the first freewheeling circuit (iFK) has a current-limiting device (CW). Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsvorrichtung (CW) des ersten Freilaufkreises (iFK) in der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) angeordnet ist.Direct current high-speed switching device (SSM). Claim 17 characterized in that the current limiting device (CW) of the first freewheeling circuit (iFK) is arranged in the direct current high-speed switching device (SSM). Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach Anspruch 17 oder 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsvorrichtung (CW) des ersten Freilaufkreises (iFK) der Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) eine Chopperschaltung und/oder ein Kaltleiter ist.Direct current high-speed switching device (SSM). Claim 17 or 18 characterized in that the current limiting device (CW) of the first freewheeling circuit (iFK) of the direct current high-speed switching device (SSM) is a chopper circuit and/or a PTC thermistor. Gleichstromschnellschalteinrichtung (SSM) nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 19 dadurch gekennzeichnet, dass der Löschkreis (LK) einen Löschkondensator (K) aufweist, wobei die Strombegrenzungsvorrichtung (CW) des ersten Freilaufkreises (iFK) parallel zum Löschkondensator (K) geschaltet ist.Direct current high-speed switching device (SSM) according to one or more of claims 17 until 19 characterized in that the quenching circuit (LK) has a quenching capacitor (K), the current-limiting device (CW) of the first freewheeling circuit (iFK) being connected in parallel with the quenching capacitor (K).
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